激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性

第 32 卷第 3 期2024 年 2 月
Vol.32 No.3
Feb. 2024光学精密工程
Optics and Precision Engineering
激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性
王晓光，温秋玲*，陈金鸿，黄国钦，崔长彩，姜峰
（华侨大学制造工程研究院，福建厦门 361021）
摘要：激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。

通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。

通过正交试验研究了激光诱导等离子体工艺参数对蓝宝石表面微结构接触角的影响，发现扫描线间距对接触角的影响最大，靶材和蓝宝石之间的距离和激光能量密度次之，扫描速度的影响最小。

当激光能量密度为6.3 J/cm2，扫描线间距为200 μm，靶材和蓝宝石之间的距离为150 μm，扫描速度为10 mm/s时，蓝宝石表面微结构的接触角为136°，表现出良好的疏水性；当激光能量密度为7.4 J/cm2，扫描线间距为50 μm，靶材和蓝宝石之间的距离为100 μm，扫描速度为5 mm/s 时，蓝宝石表面微结构的接触角为29°，具有较好的亲水性，并且长时间放置后表面接触角基本保持不变。

通过扫描电镜观察发现，蓝宝石表面的微结构上分布着许多纳米颗粒，这些微纳结构共同影响蓝宝石的润湿性。

关键词：激光诱导等离子体烧蚀；蓝宝石；微结构；工艺参数；表面润湿性
中图分类号：TN249；TQ163 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20243203.0366
Laser-induced plasma-assisted ablation of
sapphire microstructures and their wettability
WANG Xiaoguang，WEN Qiuling*，CHEN Jinhong，HUANG Guoqin，CUI Changcai，JIANG Feng
（Institute of Manufacturing Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China）
* Corresponding author， E-mail：qlwen@
Abstract： Creating microstructures on sapphire surfaces is key to altering their wettability. The laser-in⁃duced plasma etching method offers distinct benefits for crafting these microstructures. This study exam⁃ines how laser fluence， the distance between the target and sapphire， and scanning speed impact the micro⁃grooves' morphology and geometry on sapphire surfaces using the laser-induced plasma-assisted ablation （LIPAA）technique，employing a controlled variable approach.Further，it explores how LIPAA's pro⁃cessing parameters affect the sapphire's surface contact angle through orthogonal testing. Results indicate that laser scan line spacing most significantly influences the surface contact angle， followed by the target-to-sapphire distance and laser fluence， with scanning speed having the minimal impact. At a laser fluence of 6.3 J/cm²， scan line spacing of 200 μm， target-to-sapphire distance of 150 μm， and scanning speed of 10 mm/s， the sapphire's surface contact angle reached 136°， demonstrating superior hydrophobicity. Con⁃versely， with a laser fluence of 7.4 J/cm²， scan line spacing of 50 μm， target-to-sapphire distance of 100 文章编号1004-924X（2024）03-0366-15
收稿日期：2023-07-18；修订日期：2023-08-10.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.52275531，No.51805176）；高等学校学科创新引智计划资助项目（No.
B23011）；教育部创新团队滚动计划（No.IRT_17R41）
第 3 期王晓光，等：激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性
μm， and scanning speed of 5 mm/s， the surface contact angle was 29°， indicating strong hydrophilicity，which remained stable over time. SEM observations revealed numerous nanoparticles on the sapphire mi⁃crostructures， which together influence the sapphire's wettability.
Key words： laser-induced plasma-assisted ablation；sapphire；microstructures；processing parameter；
surface wettability
1 引言
单晶蓝宝石具有卓越的光学性能、极高的硬度、良好的化学稳定性，广泛应用于航空航天［1］、医疗设备［2］和消费电子［3］等领域。

Ngo等［4］使用较低的激光功率在蓝宝石表面加工微米尺寸的矩形结构，并对蓝宝石热处理实现了蓝宝石表面的超疏水，在可见光范围内其透过率不会降低。

这种蓝宝石超疏水表面可应用于光学保护窗口和对水黏附性低的场景。

Chu等［5］使用飞秒激光直写光栅结构制作了蓝宝石超疏油表面。

将粘有油脂的超疏油表面蓝宝石放入水中，油脂会逐渐离开蓝宝石表面，实现蓝宝石表面的自清洁。

在施加压力放置一段时间后，蓝宝石微结构的超疏油能力没有减弱，具有良好的稳定性。

Leem 等［6］通过感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀在晶圆级蓝宝石上制作微结构，使蓝宝石表面达到减反增透和超亲水的效果，在高端智能终端显示屏幕上具有良好的应用前景。

然而，单晶蓝宝石硬度高、脆性大且具有各向异性，蓝宝石微结构的加工往往要求高精度和低损伤，因此，通过机械加工方式制作蓝宝石微结构非常困难［7-8］。

目前，蓝宝石微结构加工方法主要有离子束刻蚀、激光直写等。

离子束加工具有原子级的加工精度，加工质量好，无裂纹和崩边，但加工效率极低，设备昂贵，加工成本高［9-11］。

激光直写具有非接触、加工效率高、材料适应性广和易控制等特点。

然而，在红外和近红外范围内，蓝宝石的透过率较高，约为85%，导致大量的激光能量被浪费［12］。

实际加工过程中，往往需要使用高峰值功率密度的超短脉冲激光或短波长的紫外激光，设备成本很高。

激光直写蓝宝石时，通过将激光聚焦在待加工样件的表面来实现加工，所需激光能量要高于蓝宝石的烧蚀阈值。

虽然提高激光能量可以提高加工效率，但会增加热累积导致热损伤。

蓝宝石是典型的脆性材料，激光加工过程中的热量累积到一定程度很容易使蓝宝石产生裂纹、崩边等问题［13-14］。

为了克服上述问题，研究人员提出了激光诱导等离子体辅助烧蚀［15］（Laser-Induced Plasma-Assisted Ablation， LIPAA）。

该方法利用入射激光聚焦到待加工透明样品下方的靶材上，通过高能量的激光烧蚀靶材激发出的等离子体来刻蚀样品的背面。

该技术适用于所有透明材料，且使用成本低廉的纳秒激光就可以实现。

激光诱导等离子体加工技术所需的激光能量密度低于激光直接烧蚀透明基板的能量阈值，因此，LIPAA 避免了激光直接聚焦烧蚀蓝宝石引发的微裂纹、微崩边等问题。

另外，LIPAA是一种兼具激光离焦烧蚀和等离子体刻蚀的复合加工方式［16］，相比直接激光烧蚀，LIPAA的加工时间减少了84%，具有更高的加工效率［17］。

因此，该技术非常适合用于蓝宝石微结构的高效率高质量加工［18］。

人们对纳秒激光诱导等离子体加工透明材料的机理进行了大量研究，并制备了微器件。

Chen等［19］研究了单晶蓝宝石的晶体取向对LIPAA加工蓝宝石的材料去除率的影响，并推断出加工过程中激光热烧蚀占主导地位。

Hanada 等［20］发现，在激光诱导等离子体轰击透明基片时，等离子体中带正电的离子发挥了最重要的作用。

Liu等［21］利用飞秒激光烧蚀硅靶材诱导等离子体刻蚀蓝宝石，成功在蓝宝石片上加工出无裂纹、无锥度，深宽比超过10∶1的微槽。

Jiang 等［22-23］利用LIPAA技术在玻璃上制作微槽，结合后续的电镀或化学腐蚀在玻璃上制备了电流控和微流控器件，进一步证明了LIPAA微细加工透明材料的灵活性和可行性。

然而，上述大部分工作主要集中在LIPAA加工机理以及透明材料的微结构制备上，利用LIPAA加工调控蓝宝石表面润湿性的研究尚未见报道。

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第 32 卷
光学 精密工程
本文研究了激光主要参数对LIPAA 加工的
蓝宝石微槽的微观形貌及几何尺寸的影响规律，然后分析了激光能量密度、激光扫描线间距、靶材和蓝宝石之间的距离和激光扫描速度对LIPAA 加工蓝宝石微结构的表面微观形貌及接触角的影响，建立了LIPAA 工艺参数、微结构表面微观形貌和蓝宝石微结构表面接触角之间的关联模型，获得了蓝宝石疏水和亲水最佳时的LIPAA 加工参数。

2 实 验
LIPAA 加工蓝宝石装置如图1所示，主要由激光器、光束传输系统、计算机、蓝宝石片、靶材和工作台等组成。

其中，激光器是杰普特生产的掺镱脉冲光纤纳秒激光器，波长为1 064 nm ，重复频率为90 kHz ，脉冲脉宽为30 ns ，最大功率为20.3 W ，实验时可根据需要调节功率。

蓝宝石片尺寸是10 mm×10 mm ，厚度为0.43 mm ，购买自无锡晶电半导体材料有限公司。

单晶蓝宝石片的上下表面都经过抛光，表面粗糙度S a 的均值小于1 nm 。

靶材是铁靶，购买自石家庄华科金属材料科技有限公司，规格为直径50.8 mm ，厚度5 mm ，材料纯度高达99.99%。

激光束经扩束镜和两个反射镜后进入扫描振镜中，然后经过F -θ场镜，透过蓝宝石样品，最后聚焦到靶材表面激发出高温高压的等离子体（如图2所示）。

等离子体高速轰击蓝宝石样品背面，通过等离子体刻蚀以及激光离焦烧蚀共同实现材料的快速去除。

靶材被放置在工作台上，该工作台具有x ，y 和z 轴3个方向的自由度。

蓝宝石样品通过一个夹具固定在靶材正上方，该夹具可实现样品沿Z 方向精
密移动。

通过夹具控制样品沿Z 方向移动来精细调节靶材和样品之间的距离。

通过EzCAD 软件对激光功率、激光扫描速度和激光扫描轨迹等参数进行精确控制。

LIPAA 加工完成后，需要对蓝宝石表面加工的微结构进行表征，包括微结构的微观形貌、几何尺寸和表面接触角。

本文采用台式扫描电子显微镜（Phenom II 型，荷兰飞纳公司）表征LIPAA 加工后微槽的微观形貌；采用共聚焦激光扫描显微镜（LSM700，德国卡尔蔡司公司）测量微槽的深度和宽度；采用接触角测量仪（JC2000D6型，上海中晨数字技术设备有限公司）测量LIPAA 加工后蓝宝石表面微结构的接触角。

3 结果与讨论
3.1　激光参数对LIPAA 加工蓝宝石的影响3.1.1　激光能量密度
在LIPAA 加工蓝宝石时，激光的能量密度直接决定烧蚀靶材时激发出来的等离子体动能。

激光能量密度与靶材表面聚焦激光的光斑尺寸和激光功率有关，即有：
F =P /f πω20，
（1）
式中：P 为激光功率，f 为激光重复频率，ω0为光斑半径。

激光光斑越小，激光能量密度越大。

通过测量不同激光功率下靶材表面激光烧蚀线的宽
度D ，然后根据烧蚀线宽度的平方D 2与激光功率的对数ln （P ）的线性关系公式，即D 2=2ω20ln （P /P th ），最后通过线性拟合得到直线的斜率k =2ω20
，
图1　LIPAA 加工蓝宝石实验装置示意图
Fig.1　Schematic diagram of LIPAA experimental setup
for sapphirp
图2　LIPAA 加工实验装置
Fig.2　LIPAA processing experiment setup
368
第 3 期
王晓光，等：激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性
从而得到光斑半径。

激光的光斑尺寸与场镜和靶材之间的距离有关，当激光焦点位于靶材表面时，光斑最小，激光能量密度最大，产生的等离子体动能最大。

3.1.1.1　场镜和靶材之间的距离
场镜和靶材之间的距离h （如图3所示）直接影响激光照射到靶材上的光斑尺寸，进而影响激光烧蚀靶材的能量密度和随后产生的等离子体的能量。

因此，有必要研究场镜和靶材之间的距离h 对LIPAA 刻蚀蓝宝石效果的影响。

实验中，激光功率为16.7 W ，扫描速度为1 mm/s ，扫描次数为1次，蓝宝石和靶材之间的距离为200 μm 。

场镜和靶材之间的距离h 设置为213.1~213.8 mm ，以100 μm 为间隔，每移动100 μm 在蓝宝石上加工出一条微槽，共加工8条微槽。

图4是不同距离h 下LIPAA 加工的蓝宝石微槽形貌的SEM 图。

从图中可以看出，场镜和靶材之间的距离对LIPAA 加工微槽的形貌具有显著的影响。

随着h 的逐渐增加，微槽边缘的形貌变差，熔融物逐渐增多。

当h 为213.8 mm 时，微槽底部形貌不均一，槽底部分地方的刻蚀深度更深。

这可能是因为随着场镜和靶材之间距离的增加，靶
材表面更加接近激光焦点的位置使得激发出的等离子体变强，激光透过性变差，离焦烧蚀增强，致使后续激发的等离子体变弱，等离子体与激光离焦烧蚀的能量处于周期性变换的动态平衡。

从刻蚀的微槽形貌上看，场镜和靶材之间的距离为213.3~213.6 mm 时，刻蚀的微槽边缘更加整齐均匀，形貌更好。

LIPAA 刻蚀微槽的深度和宽度随h 的变化曲线如图5所示。

从图5（a ）可以看出，随着h 的增加，微槽的宽度逐渐减小，当h 为213.1 mm 时，微槽宽度为66.4 μm ；当h 增加
至
图3　场镜和靶材之间的距离h 示意图
Fig.3　Schematic diagram of distance h between field lens
and target
图4　蓝宝石微槽形貌随场镜和靶材之间距离的变化
Fig.4　SEM images of morphologies of sapphire microgrooves at different distances between field mirror and target
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213.9 mm 时，微槽宽度减小到44.2 mm ，减小了33.4%。

从图5（b ）可以看出，随着h 的增加，微槽的深度明显增加，当h 为213.1 mm 时，微槽深度为10.3 μm ；当h 增加至213.9 mm 时，微槽深度增加到了20.2 μm ，增加了近一倍。

这主要是
因为随着场镜和靶材之间距离的增加，激光束的光斑直径在减小，激光能量密度不断增加，随之产生的等离子体分布范围更窄，能量更强，导致LIPAA 刻蚀的微槽宽度不断减小，而微槽的刻蚀深度不断增加。

3.1.1.2　激光功率
激光功率直接影响等离子体的能量，因此，有必要探究激光功率对LIPAA 加工蓝宝石的影响规律。

根据上述研究结果，将场镜和靶材之间的距离h 固定在213.5 mm 。

激光扫描速度为
1 mm/s ，扫描次数为1次，靶材和蓝宝石之间的距离为200 μm 。

实验时，激光功率从2.4 W 逐渐增加到20.3 W ，共加工出10条微槽。

不同激光功率刻蚀的蓝宝石微槽的形貌如图6所示。

从图中可以看出，当激光功率为2.4 W 时，蓝宝石
背
图5　蓝宝石微槽的（a ）宽度和（b ）深度随场镜和靶材之间距离的变化曲线
Fig.5　Dependence of width （a ） and depth （b ）
of sapphire microgrooves on distance between field mirror and target
图6　蓝宝石微槽形貌随激光功率的变化
Fig.6　SEM images of morphologies of sapphire microgrooves at different laser powers
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王晓光，等：激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性
面的加工痕迹很浅，不明显；随着激光功率的增加，蓝宝石背面的刻蚀痕迹越来越明显；当激光功率增大至7.8 W 时，刻蚀出微槽。

随着激光功率的继续增大，微槽边缘的熔融物变多。

进一步对微槽的宽度和深度进行测量，结果如图7所示。

从图7（a ）可以看到，微槽的宽度随着激光功率的增加先迅速增加，在激光功率为12.4 W 时，微槽宽度为42.4 μm ，此后微槽宽度增加得非常缓慢；当激光功率增加至20.3 W 时，微槽宽度为
44.3 μm 。

从图7（b ）可以看到，微槽深度随着激光功率的增加近乎线性增加，当激光功率为7.8 W 时，微槽的深度仅为5.3 μm ；当激光功率增加至20.3 W 时，深度增加至17.8 μm ，增加了近2.5倍。

这主要是因为激光功率越大，激光在靶材上烧蚀产生的等离子体越多，等离子体的动能更大，分布范围更广，从而使得蓝宝石背面刻蚀的微槽宽度和深度均增加。

3.1.2　靶材和蓝宝石之间的距离
靶材和蓝宝石之间的距离是指靶材上表面和蓝宝石下表面之间的距离，它是LIPAA 加工中一个很重要的影响因素。

实验中，激光功率为16.7 W ，场镜和靶材之间的距离h 为213.5 mm ，此时光斑直径约为60 μm ，激光能量密度为6.3 J/cm 2，扫描速度为1 mm/s ，扫描次数为1次。

通过夹具调整蓝宝石样品和靶材之间的距离，首先将距离控制在50 μm ，加工出第一条微槽，接着间距50 μm 依次递增，直到400 μm ，这样在蓝宝石上刻蚀出一系列微槽，如图8所示。

从图中可以看到，靶材和蓝宝石之间的距离对微槽形貌的影响比较显著，当距离不超过100 μm 时，微槽边缘附近粘附了大量的熔融颗粒物。

这是因为靶材与蓝宝石的间距过小，导致冲击波携带的颗粒不能及时排出而粘附在微槽内壁及边缘。

当靶材与蓝宝石的间距超过100 μm 时，微槽边缘粘附的颗粒物明显减少。

进一步测量了不同距离下
LIPAA 刻蚀微槽的宽度和深度，其结果如图9所示。

可以看到，随着靶材和蓝宝石之间距离的增加，微槽的宽度先缓慢增加，当靶材与蓝宝石的间距为250 μm 时，微槽宽度达到最大，为48.1 μm ；随着靶材和蓝宝石之间距离的继续增加，微槽的宽度逐渐减小，当靶材与蓝宝石的间距增加至400 μm 时，微槽宽度减小到36.7 μm 。

从图9（b ）可以看出，微槽深度呈现的规律与宽度不一致，微槽的深度随着靶材和蓝宝石之间距离的增加近似呈线性下降，当间距为150 μm 时，微槽深21.2 μm ，当距离增加至400 μm 时，微槽深度减小到3.8 μm 。

这主要是因为靶材和蓝宝石材料之间的间隙为等离子体冲击波提供了一个出口，冲击波驱动蓝宝石碎片的去除。

靶材和蓝宝石之间的距离太小，LIPAA 加工过程中的碎屑无法有效排出，加工形貌很差；距离太大，等离子体到达蓝宝石底部时的能量过低，无法刻蚀出微槽。

随着靶材和蓝宝石之间距离的增加，
轰击蓝宝石
图7　蓝宝石微槽的（a ）宽度和（b ）深度随激光功率的变化曲线
Fig.7　Relationship of width （a ） and depth （b ） of sapphire microgroove with laser power respectively
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光学 精密工程
的等离子体数量在减少，能量也在降低，从而导致微槽深度和宽度的减小。

3.1.3　激光扫描速度
激光扫描速度决定了激光在靶材上的辐照时间，进而影响单位辐照区域内激光的能量，从而导致激光诱导等离子体的能量差异。

实验中，激光能量密度为6.3 J/cm 2，靶材和蓝宝石之间的距离为200 μm 。

由于LIPAA 刻蚀一次形成的微槽深度很浅，因此实际加工过程中，扫描次数设
定为5次，从而提高微槽深度的测量精度。

扫描速度从1 mm/s ，5 mm/s ，然后每隔5 mm/s ，依次增加到40 mm/s 。

对不同激光扫描速度加工的蓝宝石微槽的微观形貌进行观察，部分结果如图10所示。

可以看到，激光扫描速度对蓝宝石微槽形貌的影响明显，当扫描速度为5 mm/s 时，微槽边缘分布有一层溅射物。

随着扫描速度的增加，溅射物的范围逐渐变小。

进一步测量了微槽的宽度和深度，其结果如图11所示。

可以看到，
激
图9　微槽的（a ）宽度和（b ）深度随靶材和蓝宝石之间距离的变化曲线
Fig.9　Width （a ） and depth （b ） of sapphire microgrooves as function of target -to -
sapphire distance
图8　蓝宝石微槽形貌随靶材和蓝宝石之间距离的演变
Fig.8　Evolution of surface morphologies of sapphire microgrooves with target -to -sapphire distance
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王晓光，等：激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性
光扫描速度对微槽的宽度影响很小，随着激光扫描速度的增加微槽宽度略微减小，当激光扫描速度为1 mm/s 时，微槽宽度为49.7 μm ；当速度增加到40 mm/s 时，微槽宽度降低至43.9 μm 。

微
槽的深度随着激光扫描速度的增加呈非线性下降，当激光扫描速度为1 mm/s 时，微槽深度为44.0 μm ；当速度增加到40 mm/s 时，微槽深度降至10.6 μm 。

由此可见，
随着激光扫描速度的增
图11　微槽的（a ）宽度和（b ）深度随扫描速度的变化曲线
Fig.11　Width （a ） and depth （b ）
of sapphire microgrooves as function of scanning speed
图10　蓝宝石微槽形貌随激光扫描速度的变化
Fig.10　SEM images of morphologies of sapphire microgrooves at different scanning speeds
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第 32 卷
光学 精密工程
加，微槽的宽度略微减小，微槽的深度却显著减小。

激光扫描速度影响激光在加工区域内的辐照时间，扫描速度越快，单位区域内激光停留的时间越短，接收到的激光辐照能量越少，导致激光烧蚀靶材产生的等离子体动能变小，刻蚀深度变浅。

由于激光光斑尺寸不变，所以激光扫描速度对刻蚀微槽宽度无明显影响。

3.2　LIPAA 加工参数对蓝宝石微结构润湿性的
影响
液体与固体间的界面和液体表面的切线所夹（包含液体）的角度称为接触角（Contact An⁃gle ， CA ）。

润湿性常用接触角θ来表征，如图12（a ）所示，当θ>90°时，润湿性为疏水；θ<90°则为亲水。

图12（b ）是用接触角测量仪测量得到的蓝宝石原始表面的接触角，为86°，具有弱亲水性。

在蓝宝石表面制作微结构会影响其润湿性，而蓝宝石表面微结构的形貌及尺寸又由加工工艺直接决定，因此，有必要探究LIPAA 加工工艺参数对蓝宝石表面润湿性的影响。

正交试验是研究多因素和水平的设计方法，通过部分试验就能找出最优水平组合，具有数据点分布均匀、可靠性更好等优点。

因此，这里采用正交试验法研究LIPAA 加工蓝宝石的工艺参数对蓝宝石微结构的微观形貌和表面接触角的影响。

影响蓝宝石表面微结构的工艺参数主要有激光能量密度、激光扫描线间距、靶材和蓝宝石的间距和激光扫描速度4个因素。

根据正交试验设计原则，水平数≤因素数，选择4水平，因素和水平选取值如表1所示。

根据表1选择5因素4水平正交表L 16（45），设计的正交试验表如表2所示，共16组试验。

在蓝宝石表面加工方形网格图案，然后对加
工的图案进行接触角测量，结果如表3所示。

从表中可以看出，接触角最大为134°，表现出明显的疏水效果。

此时，激光能量密度为7.3 J/cm 2，线间距为200 μm ，靶材和蓝宝石的间距为150 μm ，激光扫描速度为1 mm/s 。

当激光能量密度为7.3 J/cm 2，线间距为50 μm ，靶材和蓝宝石的间距为100 μm ，激光扫描速度为20 mm/s 时，激光处理后的蓝宝石表面接触角最小，为44.5°，表现出明显的亲水性。

对正交试验加工的蓝宝石结构进行接触角测量及微观形貌观察，图13给出了表3中第1，4，6，9，12和16组参数加工的蓝宝石网格结构的微观形貌SEM 图。

可以看到，不同工艺参数加
工
图12　（a ）接触角示意图和（b ）蓝宝石原始表面接触角Fig.12　（a ） Schematic diagram of contact angle and （b ）
Contact angle of original surface of sapphire
表1　因素水平表
Tab.1　Factors and their corresponding levels
水平1234
激光能量密度/（J ·cm -2
）
4.96.37.48.0
线间距/μm 50100150200
靶材和蓝宝石之间的距离/μm 200150100 50
速度/（mm·s -1）
1 51020
表2　正交试验表
Tab.2　Orthogonal experiment design 试验12345678910111213
141516激光能量密度1111222233334444
扫描线间距1234123412341234
靶材和蓝宝石之间的距离
1234214334124321
扫描速度1234341243212143
空列1234432121433412
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第 3 期王晓光，等：激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性
的蓝宝石微结构形貌差异巨大。

第1组和第9组蓝宝石微结构的表面接触角分别为70.5°和44.5°，均表现出亲水性。

这主要是因为第1组的扫描线间距仅为50 mm，扫描速度仅为1 mm/s，过小的扫描间距和过低的扫描速度，导致加工的方格较小，加工区域及周围溅射颗粒物较多（见图13（a）），蓝宝石表面变得更加亲水。

第9组的扫描线间距仅50 mm，靶材和蓝宝石的距离仅100 mm，扫描线间距和靶材与蓝宝石的间距都比较小，LIPAA加工的微结构杂乱无序，表面熔融物堆积严重（见图13（b）），吸水性更强。

这说明蓝宝石微结构越无序、表面熔融物越多、间距越小，蓝宝石表面亲水效果越好。

对比第1组和第9组参数加工的蓝宝石微结构形貌，可以发现，在相同的扫描间距下，靶材和蓝宝石之间的距离对蓝宝石表面微结构形貌的影响比扫描速度更为显著。

另外，第4，6，12和16组的扫描线间距更大，导致LIPAA加工的蓝宝石网格图案间距更大、表面更干净，溅射物更少、形貌更好，对应的接触角也更大，均表现出疏水性。

其中，第12组参数加工出的蓝宝石网格图案的表面接触角最大，达到134°，疏水效果最显著。

从上述分析可知，激光扫描线间距和靶材与蓝宝石的间距对蓝宝石表面微结构形貌的影响显著，扫描线间距越小、靶材和蓝宝石之间的距离越小，蓝宝石亲水性越强；反之，蓝宝石疏水性则越强。

为了获得各因素对接触角的影响权重排序以及接触角最大和最小时的LIPAA加工参数，使用极差分析法对正交表中16组试验进行分析。

引入3个符号K i，k i和R。

这里，K i表示任一列上水平号为i（i=1，2，3，4）时所对应的试验结果（接触角）之和；k i表示任一列上因素取水平i时试验结果的算术平均值，所以，k i=K i/s。

其中，s表示任一列上各水平号出现的次数（s=4）；R表示任一列上k i中最大值与最小值的差，即极差。

极差越大，该列因素的数值在试验范围内的变化会导致试验指标更大的变化，因此极差大的那一列，该因素对试验结果的影响也越大。

分析结果如表4所示，从表中可以看出，B列的极差最大，其次是C列和A列，D列极差最小。

因此可以得出，扫描线间距对接触角的影响最大，其次是靶材与蓝宝石的间距和激光能量密度，扫描速度的影响最小。

本实验采用LIPAA加工后的蓝宝石的表面接触角作为其润湿性的评价指标。

为了获得疏水效果最佳时的工艺参数组合，则应选取各列中
表3　基于正交试验加工的蓝宝石接触角测量结果
Tab.3　Measurement results of sapphire contact angle based on orthogonal test
试验1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16激光能量密度
/（J·cm-2）
4.9
4.9
4.9
4.9
6.3
6.3
6.3
6.3
7.4
7.4
7.4
7.4
8.0
8.0
8.0
8.0
扫描线间距/μm
50
100
150
200
50
100
150
200
50
100
150
200
50
100
150
200
靶材和蓝宝石之间
的距离/μm
200
150
100
50
150
200
50
100
100
50
200
150
50
100
150
200
速度/（mm·s-1）
1
5
10
20
10
20
1
5
20
10
5
1
5
1
20
10
空列
1
2
3
4
4
3
2
1
2
1
4
3
3
4
1
2
结果接触角/（°）
70.5
102.0
108.0
100.0
108.0
120.5
103.5
110.0
44.5
96.0
103.5
134.0
66.0
121.5
126.0
126.5
375。